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(海軍駐滬東中華(集團(tuán))軍事代表室,上海 200120;海軍工程大學(xué) 艦船工程系,武漢 430033)

船舶耐波性試驗(yàn)是獲得船體運(yùn)動特性及流體動力性能的重要手段，包括模型試驗(yàn)及實(shí)船試驗(yàn)。模型試驗(yàn)常用來驗(yàn)證理論模型及對實(shí)船耐波性能指標(biāo)的預(yù)報(bào)，常需要測量船模在規(guī)則波或不規(guī)則波中的運(yùn)動響應(yīng)、波浪作用力及船體運(yùn)動時(shí)在流場的興波等；實(shí)船試驗(yàn)則主要測量一定海況下船體的運(yùn)動響應(yīng)特性。獲得可靠的耐波性試驗(yàn)數(shù)據(jù)是耐波性試驗(yàn)的前提，但耐波性試驗(yàn)測量的信號中往往包含高頻的背景噪聲。在實(shí)船測量時(shí)，船上的各種機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生振動噪聲和測量儀器中的交流電噪聲是高頻噪聲的主要來源；船模試驗(yàn)時(shí)高頻噪聲主要來源于測量設(shè)備中的交流電噪聲和拖車及其旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動噪聲。所謂趨勢項(xiàng)是指測試信號中周期大于記錄長度的成分[1]。直接對含有高頻噪聲和趨勢項(xiàng)的信號進(jìn)行耐波性分析會影響其精度和準(zhǔn)確性。因此為獲得可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，必須對這些測量信號進(jìn)行濾波處理。另一方面，船舶耐波性能指標(biāo)多，且船舶在波浪中航行時(shí)工況多，因此實(shí)測數(shù)據(jù)通道多，數(shù)據(jù)量大。所以開發(fā)實(shí)時(shí)可靠的船舶耐波性試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)具有工程應(yīng)用意義。

針對艦船耐波性實(shí)測信號中趨勢項(xiàng)難以消除而影響濾波精度這一問題，文獻(xiàn)[2]采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法消除趨勢項(xiàng)的影響。根據(jù)艦船對波浪運(yùn)動響應(yīng)的低頻特點(diǎn)，在經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解前先進(jìn)行低通濾波,可使實(shí)測運(yùn)動信號中的譜峰頻率處在相對高頻位置,減少EMD迭代次數(shù)，并使有用信息包含在第一個IMF中,方便對有用模態(tài)的識別。這一方法提高了分析精度，且使得實(shí)時(shí)分析成為可能。文獻(xiàn)[3]以FFT-FS頻譜細(xì)化技術(shù)來輔助分析多工況及耐波性系列試驗(yàn)時(shí)頻譜特性，有效地用于船模耐波性試驗(yàn)測量數(shù)據(jù)的定量分析。本文以這兩種算法為基礎(chǔ)編制船舶耐波性試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理及分析系統(tǒng)，并通過實(shí)例分析說明該系統(tǒng)的可靠性。

1 信號處理方法

1.1 濾波方法

耐波性實(shí)測數(shù)據(jù)的處理常采用低通濾波的方法[4]，其步驟是對實(shí)測時(shí)間序列去直流、快速傅立葉變換(FFT)、高頻截?cái)?、反傅里葉變換(IFFT)以得到過濾高頻噪聲的時(shí)間序列，該方法能夠過濾高頻噪聲，但難以過濾趨勢項(xiàng)及低頻噪聲。船模對波浪運(yùn)動響應(yīng)是低頻的，使得低頻的趨勢項(xiàng)和運(yùn)動響應(yīng)信號可能耦合在一起，故采用一般的濾波器難以對頻率選取較準(zhǔn)確的下限閾值。針對該問題，采用低通濾波過濾高頻噪聲和經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(empirical mode decomposition，EMD)消除趨勢項(xiàng)及低頻噪聲影響的方法對信號進(jìn)行濾波處理以提高分析精度。

EMD方法由美國人Huang于1998年提出，該方法基于信號的局部特征時(shí)間尺度，把信號分解為若干個固有模態(tài)函數(shù)(intrinsic mode function，IMF)及剩余項(xiàng)之和[5]，這些IMF及剩余項(xiàng)對應(yīng)的頻率由高頻向低頻排列，每個IMF代表信號中某個頻率或頻段內(nèi)的波動分量，突出了數(shù)據(jù)的局部特征，對其進(jìn)行分析可以更準(zhǔn)確有效地把握原數(shù)據(jù)的特征信息，而剩余項(xiàng)則為頻率為零的項(xiàng)，即趨勢項(xiàng)。該方法的一個缺點(diǎn)是迭代時(shí)間長?；谝陨戏治?，本文先對實(shí)測信號進(jìn)行低通濾波處理，使得有用信號處在所得信號的相對高頻位置，然后采用EMD進(jìn)行模態(tài)分解，相對高頻的有用信號往往對應(yīng)第一個IMF，而其它IMF及剩余項(xiàng)則為低頻噪聲，提取第一個IMF作為有用信號就消除了低頻趨勢項(xiàng)及低頻噪聲的影響。該方法處理流程見圖1。該方法能夠兼顧低通濾波及EMD的優(yōu)點(diǎn)，減少EMD進(jìn)行IMF分解的迭代次數(shù)并提高分析效率，同時(shí)還便于對有用模態(tài)的自動識別。

圖1 實(shí)測信號的濾波處理流程

1.2 FFT-FS細(xì)化譜分析

FFT-FS實(shí)際上是一種聯(lián)合采用快速傅里葉變換(FFT)及傅里葉級數(shù)展開(FS)的信號處理方法。其原理是在不增加數(shù)據(jù)長度N的前提下對信號先進(jìn)行N1點(diǎn)FFT，初步確定信號的頻幅特性，然后對FFT的離散頻率通過變量代換獲得連續(xù)頻率，并對感興趣的局部頻段進(jìn)行傅里葉級數(shù)展開獲得連續(xù)的頻譜曲線。關(guān)于頻率的變量代換、FFT-FS、FFT更詳?shù)慕榻B可參考文獻(xiàn)[6]。對于實(shí)測耐波性信號來說，感興趣的頻段是遭遇圓頻率ωf附近的局部頻段，因此只需對遭遇頻率附近的頻幅特性進(jìn)行分析，從而提高分析效率及頻率分辨率。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的開發(fā)

近年來，隨著計(jì)算機(jī)多核技術(shù)及集群技術(shù)的快速發(fā)展，并行程序設(shè)計(jì)成為提高數(shù)值計(jì)算效率的主流技術(shù)之一，在Matlab2009之后，MathWorks將并行計(jì)算技術(shù)植入Matlab中，進(jìn)一步加強(qiáng)了該軟件的數(shù)值運(yùn)算功能[7]。

為提高數(shù)據(jù)處理的精度及效率，基于Matlab平臺，以低通濾波及EMD方法為內(nèi)核，以FFT-FS細(xì)化譜分析技術(shù)作為輔助工具，開發(fā)了船舶性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，其主界面見圖2。

圖2 程序主界面

該程序能夠?qū)δ筒ㄐ栽囼?yàn)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理及細(xì)化譜分析，可以幫助了解實(shí)測信號的時(shí)域及頻域特征，能對分析后的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如對不規(guī)則中船舶的運(yùn)動響應(yīng)測量信號而言，可統(tǒng)計(jì)其平均周期、平均值、平均幅值、最大幅值、最小幅值、三一幅值、波峰數(shù)、波谷數(shù)等重要信息。

2.1 軟件介紹

該程序包含菜單欄、工具欄、圖形顯示及數(shù)據(jù)顯示四大模塊。其中菜單欄包括文件菜單、編輯菜單、工具菜單、窗口菜單及幫助文件菜單，圖形顯示窗口主要用于通道數(shù)據(jù)的顯示、濾波結(jié)果的顯示及FFT-FS細(xì)化譜的顯示；工具欄包括文件格式的定義、導(dǎo)入及導(dǎo)出、圖形的縮放、拖放等操作按鈕；數(shù)據(jù)顯示工具包括原始數(shù)據(jù)、濾波數(shù)據(jù)及細(xì)化譜數(shù)據(jù)的顯示按鈕。

2.2 軟件使用

1)導(dǎo)入數(shù)據(jù)。在導(dǎo)入數(shù)據(jù)前對實(shí)測數(shù)據(jù)的存取格式及文件類型進(jìn)行定義。為提高系統(tǒng)的通用性，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可為單通道數(shù)據(jù)，也可為多通道數(shù)據(jù)，讀取文件類型則可根據(jù)采集系統(tǒng)存取的數(shù)據(jù)類型進(jìn)行定義。

2)數(shù)據(jù)取樣。為方便對有效數(shù)據(jù)的取樣，系統(tǒng)設(shè)置了數(shù)據(jù)取樣功能，在時(shí)歷曲線上按右鍵并在有效數(shù)據(jù)區(qū)域進(jìn)行拖放則可對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行取樣，見圖3。

圖3 數(shù)據(jù)取樣

試驗(yàn)過程中為提高試驗(yàn)效率，常需要在一次試驗(yàn)測量中進(jìn)行多個工況的測量，如規(guī)則波模型試驗(yàn)中常在入射波波長為短波時(shí)進(jìn)行多個速度的拖曳，為提高分析效率并對試驗(yàn)工況測量參量進(jìn)行比較，系統(tǒng)設(shè)置了多段取樣及多段分析模式，見圖4。

圖4 通道選擇

3)參數(shù)設(shè)置。包括執(zhí)行中心化選項(xiàng)、通道選擇、濾波系數(shù)設(shè)置、處理模式、取樣方式、細(xì)化譜譜線數(shù)目設(shè)置及細(xì)化頻段設(shè)置，見圖5。

圖5 參數(shù)設(shè)置

中心化選項(xiàng)決定對實(shí)測數(shù)據(jù)是否移除零階量，對于非定常量，當(dāng)需要提取信號的波動信息時(shí)(如運(yùn)動響應(yīng)信號的一階量)，需要執(zhí)行中心化，對于一些定常量，如分析波浪中船體的阻力增值數(shù)據(jù)時(shí)，需要提取的是實(shí)測信號中的定常部分，不需要進(jìn)行中心化。濾波系數(shù)一般默認(rèn)為2，該系數(shù)為低通濾波的最小截?cái)囝l率與有用信號的主頻(如規(guī)則波中船模振蕩的遭遇頻率)的比值。細(xì)化譜線數(shù)及細(xì)化頻段是進(jìn)行FFT-FS細(xì)化譜分析時(shí)的輸入?yún)?shù)，其中細(xì)化頻段對應(yīng)于FFT-FS分析的上、下限頻率，細(xì)化譜線數(shù)為該頻段內(nèi)譜的離散次數(shù)，可反映信號在頻域內(nèi)的分辨率。處理模式包括自動模式及手動模式，手動模式為單通道信號處理模式，在信號異常時(shí)采用該方式并結(jié)合濾波系數(shù)調(diào)節(jié)濾波的質(zhì)量，自動模式為多通道數(shù)據(jù)的批處理模式，當(dāng)選擇好待處理的通道后，系統(tǒng)會自動對各通道信號進(jìn)行處理。

4)數(shù)據(jù)處理。參數(shù)設(shè)置好后，點(diǎn)擊工具欄中的按鈕，以執(zhí)行分析。系統(tǒng)根據(jù)取樣位置及分析模式進(jìn)行濾波分析及FFT-FS分析，當(dāng)分析模式為手動模式時(shí)僅對當(dāng)前通道進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，當(dāng)取樣分析模式為自動模式時(shí)，系統(tǒng)對選定的每一通道進(jìn)行處理，并逐一顯示各通道分析結(jié)果。分析結(jié)束后，狀態(tài)表格中對應(yīng)通道的取樣方式中會標(biāo)明取樣狀態(tài)，分析狀態(tài)中的方框會標(biāo)出執(zhí)行分析的狀態(tài)；各通道的FFT-FS幅值譜會保存在FFT-FS數(shù)據(jù)表中(見圖6)，表中還給出了關(guān)于幅值譜的特征量；濾波數(shù)據(jù)表中保存了執(zhí)行濾波分析通道的濾波時(shí)歷數(shù)據(jù)，及對各時(shí)歷數(shù)據(jù)的特征統(tǒng)計(jì)值(見圖7)。各通道的處理結(jié)果及時(shí)歷曲線通過輸出菜單保存在Excel表格中。

圖6 FFT-FS頻幅特征及細(xì)化譜

圖7 濾波統(tǒng)計(jì)結(jié)果及時(shí)歷過程記錄

3 信號處理實(shí)例分析

圖8給出了某船模在規(guī)則波中的垂蕩運(yùn)動測量數(shù)據(jù)及采用本系統(tǒng)分析所得的濾波曲線，圖中還給出了僅低通濾波的結(jié)果。模型重173 kg，水線長3.651 m，型寬0.462 m，設(shè)計(jì)吃水0.156 m，模型速度1.021 m/s，入射波波長3 m,頂浪航行。試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷木唧w參數(shù)及試驗(yàn)情況參見文獻(xiàn)[8]。

圖8 實(shí)測垂蕩信號及濾波結(jié)果

由圖8可見低通濾波過濾了高頻噪聲，但未過濾趨勢項(xiàng)的影響，而本文的濾波方法不僅消除了高頻噪聲的影響，也消除了低頻趨勢項(xiàng)的影響。

圖9a)給出了對低通濾波所得信號進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解所得各IMF及余量的時(shí)歷曲線，圖9b)給出了圖8各時(shí)歷曲線的FFT-FS幅值細(xì)化譜。

圖9 低通濾波后的信號經(jīng)EMD分解得到的各模態(tài)及對應(yīng)的FFT-FS幅值譜

從圖9可見第一個IMF確實(shí)是所需要提取的垂蕩信號，且該模態(tài)對應(yīng)的頻率處在各模態(tài)的相對高頻處。表1給出了3條時(shí)歷曲線統(tǒng)計(jì)的平均周期、平均幅值、最大幅值、波峰及波谷數(shù)，從表1可見,未進(jìn)行濾波處理的統(tǒng)計(jì)結(jié)果和濾波后的統(tǒng)計(jì)結(jié)果具有較大的差異，因此為確保分析精度，對測量信號進(jìn)行濾波處理是必要的。

表1 3種方法的統(tǒng)計(jì)結(jié)果比較

4 結(jié)論

1)耐波性試驗(yàn)測量數(shù)據(jù)受噪聲的影響，直接進(jìn)行數(shù)據(jù)分析影響分析精度。

2)基于低通濾波及EMD的聯(lián)合分析方法能夠過濾高頻噪聲及低頻趨勢項(xiàng)的影響，提高數(shù)據(jù)分析的精度及效率。

3)開發(fā)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)界面友好，操作簡易，且能夠執(zhí)行多通道數(shù)據(jù)的批處理，并對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的統(tǒng)計(jì)分析，能夠?qū)崿F(xiàn)耐波性試驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理；可為船舶耐波性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)和綜合評價(jià)提供有力的技術(shù)支撐。

[1] 陳 雋，李 杰．振動信號趨勢項(xiàng)提取的幾種方法及其比較[J]．福州大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，33(S)：42-45

[2] 許 勇，歐勇鵬，董文才．基于低通濾波和經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的艦船耐波性試驗(yàn)信號分析方法研究[J]．船舶力學(xué)，2009,13(5)：712-717.

[3] 許 勇，董文才，歐勇鵬．基于FFT-FS頻譜細(xì)化技術(shù)的船模乃波形試驗(yàn)測量信號分析方法研究[J]．船舶力學(xué)，2012，16(5)：497-503.

[4] 彭英聲.艦船耐波性基礎(chǔ)[M].北京:國防工業(yè)出版社,1988.

[5] CHIN T W，MIAU J J．Mode decomposition analysis applied to study the low-frequency embedded in the vortex shedding princess[C]∥The 27th Conference on Theoretical and Applied Mechanics，TaiWan，2003：93-124.

[6] 趙 霞，熊小伏，郭 珂．用細(xì)化頻譜技術(shù)分析斷路器操動機(jī)構(gòu)振動信號[J],電力系統(tǒng)自動化，2003,27(12):37-41.

[7] 劉 維．實(shí)戰(zhàn)MATLAB之并行程序設(shè)計(jì)[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2012．

[8] 許 勇.波浪中近距離航行的多船水動力干擾機(jī)理研究[D].武漢：海軍工程大學(xué),2012.